DE102014018230A1 - Akkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Eine Akkumulator-Anordnung (6) für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Metall-Luft-Akkumulator (1), einer Filtereinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, Zuluft (L) des Metall-Luft-Akkumulators (1) derart zu konditionieren, dass die Zuluft (L) eine vorgegebene Luftfeuchtigkeit aufweist, und einem Gehäuse (7), in dem der Metall-Luft-Akkumulator (1) und die Filtereinrichtung (8) aufgenommen ist, wobei die Zuluft (L) mit Hilfe einer Strömungsumlenkeinrichtung (22) in dem Gehäuse (7) so umleitbar ist, dass die Filtereinrichtung (8) mit Hilfe von Abwärme des Metall-Luft-Akkumulators (1) regenerierbar ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Akkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug, wobei die Akkumulator-Anordnung einen Metall-Luft-Akkumulator umfasst.
  • Stand der Technik
  • Metall-Luft-Akkumulatoren sind aufgrund ihrer erreichbaren hohen Energiedichte insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise für Kraftfahrzeuge geeignet. Ein Beispiel für Metall-Luft-Akkumulatoren sind Lithium-Luft-Akkumulatoren. Deren Funktionsweise wird im Folgenden kurz erläutert. Bei der Entladung des Lithium-Luft-Akkumulators wird an einer Lithiumanode unter Abgabe eines Elektrons ein positives Lithium-Ion über einen Elektrolyt an eine Kohlenstoffkathode abgegeben. An der Kohlenstoffkathode reagiert in einem Reduktionsprozess das Lithium-Ion mit Sauerstoff zunächst zu Lithiumoxid und danach zu Lithiumperoxid. Damit dieser Reduktionsprozess stattfinden kann, ist die Kohlenstoffkathode mit einem Katalysator belegt, hoch porös und besitzt daher eine sehr große Oberfläche. Bei der Ladung des Lithium-Luft-Akkumulators dreht sich dieser Vorgang um. An der Kohlenstoffkathode wird Sauerstoff abgegeben, an der Lithiumanode wird metallisches Lithium abgeschieden.
  • Die Lithiumanode ist feuchtigkeitsanfällig, da das metallische Lithium heftig mit Wasser reagieren kann. Die Kohlenstoffkathode ist aufgrund ihrer hohen Porosität zum einen anfällig für eine Verunreinigung mit Partikeln wie beispielsweise Staub oder Sand, zum anderen können in der Luft enthaltene Schadgase als Katalysatorgifte wirken, die die Kohlenstoffkathode irreversibel schädigen können. Bislang werden Lithium-Luft-Akkumulatoren und auch andere Metall-Luft-Akkumulatoren lediglich unter Laborbedingungen getestet und dabei mit hochreinen Gasen beaufschlagt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Akkumulator-Anordnung zur Verfügung zu stellen.
  • Demgemäß wird eine Akkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Metall-Luft-Akkumulator, einer Filtereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Zuluft des Metall-Luft-Akkumulators derart zu konditionieren, dass die Zuluft eine vorgegebene Luftfeuchtigkeit aufweist, und einem Gehäuse, in dem der Metall-Luft-Akkumulator und die Filtereinrichtung aufgenommen ist, vorgeschlagen, wobei die Zuluft mit Hilfe einer Strömungsumlenkeinrichtung in dem Gehäuse so umleitbar ist, dass die Filtereinrichtung mit Hilfe von Abwärme des Metall-Luft-Akkumulators regenerierbar ist.
  • Insbesondere können in dem Gehäuse mehrere nebeneinander oder übereinander angeordnete Metall-Luft-Akkumulatoren vorgesehen sein. Der Metall-Luft-Akkumulator weist vorzugsweise eine Anode oder erste Elektrode, die aus einem Metall gefertigt ist, und eine Kathode oder zweite Elektrode, die aus mesoporösem Kohlenstoff gefertigt ist, auf. Je nachdem, welches Metall als Material für die erste Elektrode verwendet wird, ist die Filtereinrichtung dazu eingerichtet, die in der Zuluft enthaltene relative Luftfeuchtigkeit auf einen für das Metall erforderlichen Wert einzustellen. Ist die erste Elektrode beispielsweise aus Lithium gefertigt, ist es aufgrund der hohen Reaktivität von Lithium mit Wasser erforderlich, der Zuluft die gesamte oder zumindest annähernd die gesamte Luftfeuchtigkeit zu entziehen. Bei der Verwendung von Silizium als Elektrodenmaterial ist es hingegen erforderlich, dass die in der Zuluft enthaltene Luftfeuchtigkeit mit Hilfe der Filtereinrichtung auf einen definierten und konstanten Wert geregelt wird. Hierdurch wird eine Beschädigung des metallischen Elektrodenmaterials über die Lebensdauer des Metall-Luft-Akkumulators verhindert. Hierdurch ist die Akkumulator-anordnung unter Realbedingungen in einem Fahrzeug einsetzbar. Eine Beaufschlagung des Metall-Luft-Akkumulators mit hochreinen Gasen unter Laborbedingungen ist verzichtbar. Durch die Konditionierung der Zuluft wird der Metall-Luft-Akkumulator vor einer Beschädigung geschützt. Die Lebensdauer des Metall-Luft-Akkumulators wird erhöht und der Einsatz unter verschiedensten Bedingungen ermöglicht. Vorzugsweise weist die Akkumulator-Anordnung Sensoreinrichtungen wie Feuchtigkeitssensoren und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf, die mit den Sensoreinrichtungen gekoppelt ist. Durch die Sensoreinrichtungen kann frühzeitig eine Änderung der Filterleistung bzw. Trocknerleistung ermittelt werden und kann als Zustandsanzeige bzw. Wartungsanzeige mit Hilfe einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung angezeigt werden. Vorzugsweise erwärmt der Metall-Luft-Akkumulator die Zuluft. Mit Hilfe der vom Metall-Luft-Akkumulator erwärmten Zuluft ist die Filtereinrichtung regenerierbar.
  • Die Akkumulator-Anordnung ist insbesondere für Fahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge, Lastkraftwägen, Motorkrafträder, Luftfahrzeuge, Baufahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Wasserfahrzeuge geeignet. Darüber hinaus kann die Akkumulator-Anordnung auch bei immobilen Anwendungen wie in der Gebäudetechnik oder dgl. eingesetzt werden.
  • In Ausführungsformen ist die Strömungsumlenkeinrichtung dazu eingerichtet, zum Regenerieren der Filtereinrichtung eine Strömungsrichtung der Zuluft umzukehren. Die Strömungsumkehreinrichtung kann Luftpfade, Lufteinlässe, Lüftungsklappen, Lüftungsblenden oder dgl. umfassen.
  • In weiteren Ausführungsformen weist die Akkumulator-Anordnung ein Heizelement zum Erwärmen der Zuluft und/oder der Filtereinrichtung auf. Das Heizelement kann eine Heizfolie, Heizplatte, ein Heizdraht, Heizgewebe oder ein Heizvlies sein. Mit Hilfe der vom Heizelement erwärmten Zuluft kann die Filtereinrichtung regeneriert werden. Insbesondere kann die Filtereinrichtung mit Hilfe des Heizelements direkt beheizt werden.
  • In weiteren Ausführungsformen ist die Filtereinrichtung dazu eingerichtet, Partikel, insbesondere Staub, Sand oder dgl., aus der Zuluft herauszufiltern. Hierdurch wird ein Zusetzen oder Verstopfen der mesoporösen zweiten Elektrode verhindert. Zur Partikelfiltration kann die Filtereinrichtung ein aus Papier und/oder Kunststoff gefertigtes Filtermedium aufweisen. Weiterhin kann das Filtermedium beschichtet, imprägniert und/oder mit einer Nanofaserlage versehen sein.
  • In weiteren Ausführungsformen ist die Filtereinrichtung dazu eingerichtet, Schadgase, insbesondere Stickoxide, Ammoniak, Schwefeloxide, Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid oder dgl., chemisch aus der Zuluft herauszufiltern. Diese Schadgase können als Katalysatorgifte wirken, die den an der zweiten Elektrode vorgesehenen Katalysator dauerhaft schädigen können. Die Filtereinrichtung kann zur chemischen Filterung beispielsweise Aktivkohle aufweisen. Weiterhin kann die Filtereinrichtung Kaliumkarbonat K2CO3 und/oder Kalziumhydroxid Ca(OH)2 aufweisen, das mit sauren Schadgasen wie beispielsweise Schwefeloxiden SOx oder Schwefelwasserstoff H2S chemisch reagiert, um diese Schadgase zu neutralisieren. Hierdurch bleibt die Katalysatorwirkung dauerhaft bestehen.
  • In weiteren Ausführungsformen ist die Filtereinrichtung zum Regenerieren der chemischen Filtereigenschaften mit Hilfe der Strömungsumlenkeinrichtung mit Zuluft spülbar. Zum Regenerieren der Filtereinrichtung, wenn sich deren chemische Filtrationsleistung verringert, kann diese mit frischer Zuluft gespült werden. Hierzu können in dem Gehäuse entsprechende Kanäle und Ventileinrichtungen vorgesehen sein.
  • In weiteren Ausführungsformen weist das Gehäuse eine strömungsverteilende Geometrie auf, die dazu eingerichtet ist, die Zuluft so abzuleiten, dass der zumindest eine Metall-Luft-Akkumulator flächig mit der Zuluft überströmbar ist. Insbesondere ist die zweite Elektrode flächig mit der Zuluft überströmbar. Hierdurch erhöht sich die Effizienz des Metall-Luft-Akkumulators.
  • In weiteren Ausführungsformen umfasst die Filtereinrichtung zum Konditionieren der Zuluft einen gegenüber dem Gehäuse drehbaren Rotationsspeicher. Die rotierende Speichermasse bietet den Vorteil der Wärmeübertragung. Die Zuluft für den Metall-Luft-Akkumulator kann über den Rotationsspeicher vorgewärmt werden. Dies ist insbesondere bei einer sog. Kaltstartphase von Vorteil, da der Metall-Luft-Akkumulator ähnlich einem Brennstoffzellensystem in kürzerer Zeit seine Arbeitstemperatur erreicht. Die Akkumulator-Anordnung kann weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfassen, die mit Hilfe von Sensoreinrichtungen, wie beispielsweise Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren und durch die Ansteuerung von Ventileinrichtungen den Luftstrom durch das Gehäuse steuert. Beispielsweise kann bei einer kontinuierlichen Regeneration mit Hilfe des Rotationsspeichers eine Drehgeschwindigkeitsregelung vorgenommen werden. Die Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung mit dem Rotationsspeicher ermöglicht eine verlängerte Standzeit des Trocken- oder Sorptionsmittels. Hierdurch reduzieren sich die Betriebskosten unter Wahrung der richtigen Betriebsbedingungen für den Metall-Luft-Akkumulator.
  • In weiteren Ausführungsformen ist in dem Rotationsspeicher ein Trockenmittel aufgenommen. Der Rotationsspeicher kann mit dem Trockenmittel beschichtet sein.
  • In weiteren Ausführungsformen ist das Trockenmittel mit Hilfe des Rotationsspeichers kontinuierlich regenerierbar. Hierbei kann von dem Metall-Luft-Akkumulator erwärmte Abluft die Regeneration des Trocken- oder Sorptionsmittels unterstützen. Eine Zusatzheizung in Form des Heizelements kann kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen.
  • Weitere mögliche Implementierungen der Akkumulator-Anordnung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen der Akkumulator-Anordnung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Akkumulator-Anordnung hinzufügen oder abändern.
  • Weitere Ausgestaltungen der Akkumulator-Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Akkumulator-Anordnung. Im Weiteren wird die Akkumulator-Anordnung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Metall-Luft-Akkumulators in einem Ladezustand;
  • 2 eine schematische Schnittansicht des Metall-Luft-Akkumulators gemäß der 1 in einem Entladezustand;
  • 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Metall-Luft-Akkumulators in einem Entladezustand;
  • 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Metall-Luft-Akkumulators in einem Entladezustand;
  • 5 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung;
  • 6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung;
  • 7 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung;
  • 8A–8E schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines Heizelements; und
  • 9 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung.
  • In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Metall-Luft-Akkumulators 1 in einem Ladezustand. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Metall-Luft-Akkumulators 1 in einem Entladezustand. Der Metall-Luft-Akkumulator 1 weist eine aus Metall, insbesondere aus Lithium Li, gefertigte Anode oder erste Elektrode 2 und eine Kathode oder zweite Elektrode 3 auf. Im Folgenden wird explizit nur auf Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 eingegangen.
  • Die zweite Elektrode 3 ist aus mesoporösem Kohlenstoff C aufgebaut und am elektrochemischen Prozess nicht direkt beteiligt. Mesoporöse Festkörper sind nach Definition der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) poröse Materialien mit einem Porendurchmesser zwischen 2 nm und 50 nm. Der Kohlenstoff C dient als elektrischer Leiter und Anschluss, die mesoporöse Struktur zur Maximierung der Oberfläche, um die Reaktion von Sauerstoff O2 mit Lithium-Ionen Li+ im Bereich der zweiten Elektrode 3 zu erleichtern.
  • Die erste Elektrode 2 besteht aus metallischem Lithium Li. Alternativ kann die erste Elektrode 2 aus einem anderen Metall wie beispielsweise Silizium bestehen. Zwischen den beiden Elektroden 2, 3 befindet sich ein Elektrolyt 4, welcher je nach Ausführungsform des Lithium-Luft-Akkumulators 1 flüssig oder fest sein kann. Im letzteren Fall liegt ein Festkörperakkumulator vor. Insbesondere kann der flüssige Elektrolyt 4 eine organische Flüssigkeit sein, die nicht mit dem Lithium Li reagiert.
  • 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Lithium-Luft-Akkumulators 1 mit einem wasserbasierten Elektrolyten 4. Um ein Reagieren des metallischen Lithiums Li mit dem Elektrolyten 4 zu verhindern, ist zwischen der ersten Elektrode 2 und dem wässrigen Elektrolyten 4 eine Schutzschicht 5 vorgesehen. Die Schutzschicht 5 kann eine auf dem metallischen Lithium Li aufliegende Glaskeramikschicht sein. Beispielsweise ist die Schutzschicht 5 eine sog. LiSICON-Schicht (LiM2(PO4)3). Die Schutzschicht 5 ermöglicht es, dass das Lithium Li in der wässrigen Umgebung stabil bleibt.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines hybriden Lithium-Luft-Akkumulators 1. Hierbei ist zwischen der ersten Elektrode 2 und der Schutzschicht 5 ein organischer Elektrolyt 4 und zwischen der Schutzschicht 5 und der zweiten Elektrode 3 ein wässriger Elektrolyt 4 angeordnet.
  • Das grundlegende Funktionsprinzip bei allen Typen von Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ist im Wesentlichen identisch. Bei der Entladung (2, 3, 4) wird an der ersten Elektrode 2 unter Abgabe eines Elektrons e– ein positives Lithium-Ion Li+ über den Elektrolyt 4 an die zweite Elektrode 3 abgegeben, wo das Lithium-Ion Li+ mit Sauerstoff O2 zunächst zu Lithiumoxid Li2O und danach zu Lithiumperoxid Li2O2 oxidiert. Es findet dabei der folgende Reduktionsprozess statt: O2 + 4e– → 2O2–. Damit dieser Reduktionsprozess stattfinden kann, ist die zweite Elektrode 3 mit einem Katalysator belegt, hoch porös und besitzt daher eine sehr große Oberfläche. Deshalb ist die zweite Elektrode 3 zum einen anfällig für eine Verunreinigung mit Partikeln wie beispielsweise Staub oder Sand, die die zweite Elektrode 3 verstopfen oder verblocken können, zum anderen wirken Schadgase wie Schwefeloxide SxOy, Ammoniak NH3, Stickoxide NOx, Schwefelwasserstoff H2S, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO2 und weitere als Katalysatorgifte, die die zweite Elektrode 3 irreversibel schädigen können. Weiterhin ist die zweite Elektrode 3 auch feuchtigkeitsempfindlich.
  • Bei der Ladung (1) des Lithium-Luft-Akkumulators 1 dreht sich dieser Vorgang um. An der zweiten Elektrode 3 wird Sauerstoff O2 abgegeben, an der ersten Elektrode 2 wird metallisches Lithium Li abgeschieden. Die erste Elektrode 2 ist feuchtigkeitsanfällig, da das metallische Lithium Li heftig mit Wasser reagieren kann.
  • 5 zeigt eine Akkumulator-Anordnung 6 für ein Fahrzeug. Die Akkumulator-Anordnung 6 umfasst vorzugsweise mehere Lihium-Luft-Akkumulatoren 1, von denen in der 5 nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 sind vorzugsweise nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet. Den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 wird Zuluft L zugeführt. Stromaufwärts der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ist eine Filtereinrichtung 8 und eine Abscheideeinrichtung 9 vorgesehen. Die Abscheideeinrichtung 9 kann ein Zyklonabscheider sein. Die Abscheideeinrichtung 9 ist dazu eingerichtet, die Zuluft L von Partikeln, insbesondere von groben Partikeln, zu reinigen. Zwischen der Abscheideeinrichtung 9 und den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ist die Filtereinrichtung 8 angeordnet. Der Filtereinrichtung 8 wird die vorgereinigte Zuluft L über in dem Gehäuse 7 vorgesehene Strömungskanäle 10, 11 zugeführt. Die Strömungskanäle 10, 11 bilden eine strömungsverteilende Geometrie 12 des Gehäuses 7.
  • Die Filtereinrichtung 8 ist zur Partikelfiltration geeignet. Das heißt, die Filtereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, in der Zuluft L enthaltene Partikel wie beispielsweise Staub, Pollen, Sand oder dgl. mechanisch zurückzuhalten. Hierdurch wird ein Zusetzen oder Verstopfen der mesoporösen zweiten Elektrode 3 verhindert. Zur Partikelfiltration kann die Filtereinrichtung 8 ein aus Papier und/oder Kunststoff gefertigtes Filtermedium aufweisen. Weiterhin kann das Filtermedium beschichtet, imprägniert und/oder mit einer Nanofaserlage versehen sein.
  • Weiterhin ist die Filtereinrichtung 8 zur chemischen Filtration der Zuluft L geeignet. Insbesondere ist die Filtereinrichtung 8 dazu eingerichtet, Schadgase wie Schwefeloxide SOx, Ammoniak NH3, Stickoxide NOx, Schwefelwasserstoff H2S, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO2 chemisch aus der Zuluft L herauszufiltern. Diese Schadgase können als Katalysatorgifte wirken, die den an der zweiten Elektrode 3 vorgesehenen Katalysator dauerhaft schädigen können. Die Filtereinrichtung 8 kann zur chemischen Filterung beispielsweise Aktivkohle aufweisen. Weiterhin kann die Filtereinrichtung 8 Kaliumkarbonat K2CO3 und/oder Kalziumhydroxid Ca(OH)2 aufweisen, das mit sauren Schadgasen wie beispielsweise Schwefeloxiden SOx oder Schwefelwasserstoff H2S chemisch reagiert, um diese Schadgase zu neutralisieren. Hierdurch bleibt die Katalysatorwirkung dauerhaft bestehen. Zum Regenerieren der Filtereinrichtung 8, wenn sich deren chemische Filtrationsleistung verringert, kann diese mit frischer Zuluft L gespült werden. Hierzu sind in dem Gehäuse 7 entsprechende Kanäle und Ventileinrichtungen vorgesehen.
  • Die Filtereinrichtung 8 ist auch dazu eingerichtet, die den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 zugeführte Zuluft L derart zu konditionieren, dass die Zuluft L eine vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit aufweist. Insbesondere ist die Filtereinrichtung 8 dazu eingerichtet, der Zuluft L die gesamte Feuchtigkeit zu entziehen. Hierdurch wird eine Reaktion des metallischen Lithiums Li der ersten Elektrode 2 mit Wasser verhindert. Bei der Anwendung für andere Arten von Metall-Luft-Akkumulatoren wie beispielsweise Silizium-Luft-Akkumulatoren kann die Filtereinrichtung 8 dazu eingerichtet sein, einen definierten und gleichbleibenden Wert der Luftfeuchtigkeit zu gewährleisten.
  • Die Filtereinrichtung 8 kann ein Trockenmittel wie beispielsweise Silica-Perlen aufweisen. Die Silicaperlen können auf ein Filtermedium der Filtereinrichtung 8 aufgestreut und mit diesem verklebt sein. Weiterhin kann das Filtermedium schichtweise aufgebaut sein, wobei beispielsweise zwischen zwei Vlieslagen eine Schicht Silica-Perlen angeordnet sein kann. Zusätzlich oder optional kann das Filtermedium ein Absorbermaterial, insbesondere einen sog. Superabsorber, eine funktionalisierte Membran oder dgl. umfassen. Für jede der zuvor beschriebenen Funktionalitäten kann die Filtereinrichtung 8 ein geeignetes Filterelement umfassen.
  • Die gereinigte Zuluft L wird derart geführt, dass diese bei der Entladung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 deren Elektroden 3 möglichst gleichmäßig anströmt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 erhöht. Weiterhin wird der benötigte Bauraum reduziert. In dem Gehäuse 7 können weitere Luftkanäle vorgesehen sein, die dazu eingerichtet sind, Wärme von den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 abzuführen. Hierdurch wird eine Überhitzung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 verhindert. Alternativ oder optional zu einer Luftkühlung kann auch eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein. Hierzu können in dem Gehäuse 7 Flüssigkeitskanäle vorgesehen sein.
  • Falls die Trockenleistung der Filtereinrichtung 8 nachlässt, kann das Trockenmittel regeneriert werden. Hierzu wird vorgewärmte Zuluft L verwendet. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung 6 bei der das Trockenmittel der Filtereinrichtung 8 regenerierbar ist. Hierzu sind seitlich an dem Gehäuse 7 Lufteinlässe 13, 14 vorgesehen, durch die Zuluft L in die Filtereinrichtung 8 einströmen kann. Die Strömungsrichtung beim Regenerieren ist dabei umgekehrt orientiert wie bei dem in 5 gezeigten Entladen der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1. Die seitlichen Lufteinlässe 13, 14 können eine Strömungsumlenkeinrichtung 22 der Akkumulator-Anordnung 6 bilden. Die Strömungsumlenkeinrichtung 22 kann ferner Ventileinrichtungen aufweisen. Beim Regenerieren ist der Luftpfad in Richtung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 abgesperrt. Die erwärmte Zuluft L wird seitlich durch die Lufteinlässe 13, 14 in das Gehäuse 7 eingeblasen oder eingesaugt und über einen zentralen Lufteinlass 15 des Gehäuses 7 als Abluft A ausgeblasen. Die Abluft A weist dabei eine höhere Luftfeuchtigkeit als die Zuluft L auf. Zur Regeneration des Trockenmittels wird in einer Ausheizphase beispielsweise eine Temperatur von 180°C über etwa zwei Stunden gehalten. Im Entladezustand der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 sind die Lufteinlässe 13, 14 geschlossen und der Luftpfad in Richtung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ist geöffnet. Das Trocken- bzw. Sorptionsmittel wird mit Hilfe von Abwärme der Zuluft L regeneriert. Da die Filtereinrichtung 8 nicht als Filter nutzbar und gleichzeitig regenerierbar, können zwei Filtereinrichtungen 8 vorgesehen sein, die abwechselnd im diskontinuierlichen Betrieb gefahren werden.
  • Es können auch mehrere diskontinuierlich vorgesehene feuchtigkeitsregulierende Systeme in der Filtereinrichtung 8 verwirklicht sein. Hierdurch ist auch bei einer langen Nutzungsphase, bei häufiger Rekuperation oder Schnelladephasen, wobei die Aufladezeiten für eine Regeneration des Trockenmittels bzw. des Sorptionsmittels nicht ausreichend lange sind, oder beim Einsatz der Akkumulator-Anordnung 6 in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit stets eine ausreichende Trockenleistung gewährleistet. Weiterhin kann neben dem diskontinuierlichen System, welches von seiner Dimensionierung für die überwiegende Anzahl der Einsatzfälle ausreichend ist, ein ”Backup-” oder ”Not-”System vorgesehen sein, das auf Basis einer nur einmal nutzbaren Wechselkartusche beruht. Einmal benutzt, muss diese Wechselkartusche vom Anwender oder Servicetechniker ausgetauscht werden, bevor das Backup-System wieder für einen neuen Einsatz zur Verfügung steht.
  • 7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung 6 bei der das Trockenmittel der Filtereinrichtung 8 regenerierbar ist. Diese Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung 6 gemäß 6 dadurch, dass im Regenerationsmodus nicht nur der Luftpfad zu den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1, sondern auch zum zentralen Lufteinlass 15 versperrt ist. Die Luftpfade können beispielsweise mit Hilfe von Blendenverschlüssen versperrt sein. Die erwärmte Zuluft L strömt durch den seitlichen Lufteinlass 13 in das Gehäuse 7, durchströmt die Filtereinrichtung 8 und strömt durch den seitlichen Lufteinlass 14 als feuchtigkeitsbeladene Abluft A wieder aus dem Gehäuse 7 heraus.
  • 8A bis 8D zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Heizelementen 16 zum Erwärmen der Zuluft L zum Regenerieren des Trockenmittels. 8A zeigt ein Heizelement 16 in Form eines Flachelements. Dieses Heizelement kann auf die Filtereinrichtung 8 aufgelegt werden. 8B zeigt ein Heizelement 16 mit einem Heizdraht in Mäanderform. 8C zeigt ein Heizelement 16, das als Heizfolie mit Löchern oder Durchbrüchen ausgebildet ist. Die Heizfolie kann ein PCT-Element sein (positive temperature coefficient). 8D zeigt eine Ausführungsform, bei der das Heizelement 16 als um die Filtereinrichtung 8 gewickelter Heizdraht ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform gemäß 8E ist das Heizelement 16 als leitfähiges Gewebe oder Vlies ausgebildet, welches sich erwärmt. Beispielsweise kann das Gewebe oder Vlies mit Carbon Nano Tubes beschichtet sein.
  • 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung 6. In dem Gehäuse 7 der Akkumulator-Anordnung ist ein erster Luftpfad 17 zum Zuführen der Zuluft L zu den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 und ein zweiter Luftpfad 18 zum Abführen der Abluft A von den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 vorgesehen. Die Luftpfade 17, 18 können eine Strömungsumlenkeinrichtung 22 der Akkumulator-Anordnung 6 bilden. Die Filtereinrichtung 8 umfasst ein in dem ersten Luftpfad 17 vorgesehenes Filterelement 19 zum Filtern der Zuluft L. Das Filterelement 19 kann dazu vorgesehen sein, die Zuluft L von Partikeln und Schadgasen zu reinigen. Die Filtereinrichtung 8 umfasst weiterhin einen relativ zu dem Gehäuse 7 drehbaren Rotationsspeicher 20 zum Entfeuchten der Zuluft L. Hierdurch kann eine kontinuierliche Regeneration des eingesetzten Trocken- oder Sorptionsmittels erreicht werden. Hierbei wird eine Hälfte des Rotationsspeichers 20 als Filter genutzt während eine zweite Hälfte desselben regeneriert wird. Hierbei unterstützt die von den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 erwärmte Abluft A die Regeneration des Trocken- oder Sorptionsmittels. Eine Zusatzheizung in Form des Heizelements 16 kann kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen. Weiterhin bietet die rotierende Speichermasse den Vorteil der Wärmeübertragung. Die Zuluft L für die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 kann über den Rotationsspeicher 20 vorgewärmt werden. Dies ist insbesondere bei einer sog. Kaltstartphase von Vorteil, da die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ähnlich einem Brennstoffzellensystem in kürzerer Zeit auf Arbeitstemperatur kommen.
  • Die Akkumulator-Anordnung 6 umfasst weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21, die mit Hilfe von Sensoreinrichtungen, wie beispielsweise Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren und durch die Ansteuerung von Ventileinrichtungen den Luftstrom durch das Gehäuse 7 steuert. Beispielsweise kann bei der kontinuierlichen Regeneration mit Hilfe des Rotationsspeichers 20 eine Drehgeschwindigkeitsregelung vorgenommen werden. In dem Gehäuse 7 sind Luftpfade, Sensoreinrichtungen, Stellglieder wie Klappen oder Ventileinrichtungen sowie die Steuereinrichtung 21 integriert. Vorzugsweise ist das Gehäuse 7 ein Kunststoffspritzgussbauteil. Die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 können sequentiell oder parallel angeordnet sein. Die Filtereinrichtung 8 und die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 können in einem gemeinsamen kompakten Gehäuse 7 oder räumlich separiert angeordnet sein.
  • Durch die Konditionierung der Zuluft L für die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 nach deren Anforderungen für Partikel- und Schadstofffreiheit sowie den Ausschluss von Feuchtigkeit bzw. Einstellung einer definierten Feuchtigkeit ist die Akkumulator-anordnung 6 unter Realbedingungen in einem Fahrzeug einsetzbar. Durch die Konditionierung der Zuluft L werden die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 vor einer Beschädigung geschützt. Die Lebensdauer der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 wird erhöht und der Einsatz unter verschiedenen Bedingungen ermöglicht. Durch die Sensoreinrichtungen wird frühzeitig eine Änderung der Filterleistung bzw. Trocknerleistung ermittelt und kann als Zustandsanzeige bzw. Wartungsanzeige mit Hilfe einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung angezeigt werden. Die Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung 6 gemäß 9 mit dem Rotationsspeicher 20 ermöglicht eine verlängerte Standzeit des Trocken- oder Sorptionsmittels. Hierdurch reduzieren sich die Betriebskosten unter Wahrung der richtigen Betriebsbedingungen für die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1.

Claims (10)

  1. Akkumulator-Anordnung (6) für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Metall-Luft-Akkumulator (1), einer Filtereinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, Zuluft (L) des Metall-Luft-Akkumulators (1) derart zu konditionieren, dass die Zuluft (L) eine vorgegebene Luftfeuchtigkeit aufweist, und einem Gehäuse (7), in dem der Metall-Luft-Akkumulator (1) und die Filtereinrichtung (8) aufgenommen ist, wobei die Zuluft (L) mit Hilfe einer Strömungsumlenkeinrichtung (22) in dem Gehäuse (7) so umleitbar ist, dass die Filtereinrichtung (8) mit Hilfe von Abwärme des Metall-Luft-Akkumulators (1) regenerierbar ist.
  2. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsumlenkeinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, zum Regenerieren der Filtereinrichtung (8) eine Strömungsrichtung der Zuluft (L) umzukehren.
  3. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Akkumulator-Anordnung (6) ein Heizelement (16) zum Erwärmen der Zuluft (1) und/oder der Filtereinrichtung (8) aufweist.
  4. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Filtereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, Partikel, insbesondere Staub, Sand oder dergleichen, aus der Zuluft (L) herauszufiltern.
  5. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Filtereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, Schadgase, insbesondere Stickoxide, Ammoniak, Schwefeloxide, Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid oder dergleichen, chemisch aus der Zuluft (L) herauszufiltern.
  6. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Filtereinrichtung (8) zum Regenerieren der chemischen Filtereigenschaften mit Hilfe der Strömungsumlenkeinrichtung (22) mit Zuluft (L) spülbar ist.
  7. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Gehäuse (7) eine strömungsverteilende Geometrie (12) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Zuluft (L) so abzuleiten, dass der zumindest eine Metall-Luft-Akkumulator (1) flächig mit der Zuluft (L) überströmbar ist.
  8. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Filtereinrichtung (8) zum Konditionieren der Zuluft (L) einen gegenüber dem Gehäuse (7) drehbaren Rotationsspeicher (20) umfasst.
  9. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 8, wobei in dem Rotationsspeicher (20) ein Trockenmittel aufgenommen ist.
  10. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 9, wobei das Trockenmittel mit Hilfe des Rotationsspeichers (20) kontinuierlich regenerierbar ist.
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